光伏制氫可行性調(diào)研報告

1光伏制氫可行性調(diào)研報告氫在自然界中分布廣泛，并且在自然狀態(tài)下僅存在著極少量的游離態(tài)氫。工業(yè)氫氣是指通過肯定的手段，從工業(yè)原料中大規(guī)模制取的可燃氣態(tài)氫產(chǎn)物。這種通過能量輸入從含氫原料中提取工業(yè)氫氣的過程，被稱為人工制氫，包括化石燃料制氫、水分解制氫、生物技術(shù)制氫和太陽能制氫等。氫能作為氫的化學(xué)能表現(xiàn)為物理與化學(xué)變化過程中釋放出能量，是具有二次能源屬性的一種重要的能源類型。這種大規(guī)模人工制氫并利用氫能的產(chǎn)業(yè)被稱為氫工業(yè)，包括上游制氫、中游儲運和下游應(yīng)用。氫工業(yè)體系中各個產(chǎn)業(yè)部門之間基于肯定的技術(shù)經(jīng)濟關(guān)聯(lián)即為氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，包括氫工業(yè)價值鏈、氫工業(yè)企業(yè)鏈、氫工業(yè)供需鏈和氫工業(yè)空間鏈。氫能是被公認(rèn)的清潔能源，被譽為21世紀(jì)最具進展前景的二次能源。氫能在解決能源危機、全球變暖及環(huán)境污染等問題方面將發(fā)揮重要的作用，也將成為我國優(yōu)化能源消費構(gòu)造、保障國家能源供給安全的戰(zhàn)略選擇。據(jù)推測，煉油業(yè)、能源汽車以及清潔能源發(fā)電等將是氫能利用的最大終端市場，其中工業(yè)氫氣在全球煉油業(yè)中的用量將占到全球工業(yè)氫氣消耗總量的90%。隨著燃料環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，煉油廠加氫精制將需要更多的工業(yè)氫氣來生產(chǎn)低硫清潔、國內(nèi)外爭論和進呈現(xiàn)狀1、國外爭論和進呈現(xiàn)狀全球主要國家高度重視氫能及燃料電池的進展，美國、日本、德國等興旺國家已經(jīng)將氫能上升到國家能源戰(zhàn)略高度，不斷加大對氫能及燃料電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化扶持力度。美國是最早將氫能及燃料電池作為能源戰(zhàn)略的國家。早在1970年便提出“氫經(jīng)濟”概念，奧巴馬政府公布《全面能源戰(zhàn)略》，特朗普政府將氫能和燃料電池作為美國優(yōu)先能源戰(zhàn)略，開展前沿技術(shù)爭論。美國在氫能及燃料電池領(lǐng)域擁有的專利數(shù)僅次于日本，尤其在全球質(zhì)子交換膜燃料電池、燃料電池系統(tǒng)、車載儲氫三大領(lǐng)域技術(shù)專利數(shù)量上，兩國的技術(shù)占比總和約超過了50%。日本提出成為第一個實現(xiàn)氫能社會的國家。政府先后公布了《日本復(fù)興戰(zhàn)略》《氫能源根本戰(zhàn)略》《氫能及燃料電池戰(zhàn)略路線圖》規(guī)劃了實現(xiàn)氫能社會的技術(shù)路線。日本氫能和燃料電池技術(shù)擁有專利數(shù)全球第一，已實現(xiàn)燃料電池車和家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)的大規(guī)模商業(yè)化推廣。并以2023年東京奧運會為契機推廣燃料電池車，打造氫能小鎮(zhèn)。歐盟在戰(zhàn)略層面提出了《2023氣候和能源一攬子打算》《2030氣候和能源框架》等文件，德國是歐洲進展氫能最具代表性的國家，氫能與可再生能源融合進展是德國可再生能源系統(tǒng)和低碳經(jīng)濟中的重要組成局部。在傳統(tǒng)制氫方法中，化石燃料制取的氫占全球的 90%以上?；剂现茪渲饕哉羝D(zhuǎn)化和變壓吸附相結(jié)合的方法制取高純度的氫。利用電能電解水制氫也占有肯定的比例。太陽能制氫是近30-40年才進展起來的。到目前為止，對太陽能制氫的方法爭論主要集中在如下幾種方法：直接熱分解法、熱化學(xué)循環(huán)法、光催化法以及光電化學(xué)分解法。經(jīng)了解，美國、日本、德國等興旺國家進展快速。德國長期致力于推廣可再生能源發(fā)電制氫技術(shù)，在可再生能源制氫規(guī)模上全球第一。燃料電池的供給和制造規(guī)模全球第三。2、我國爭論和進呈現(xiàn)狀中國是全球氫能利用的大國，已形成京津冀、長江三角洲、珠江三角洲、華中、西北、西南、東北等 7個氫能產(chǎn)業(yè)集群。2023年以來，政府相繼出臺了《戰(zhàn)略性興產(chǎn)業(yè)進展規(guī)劃》《中國制2025〔2023-2030年〕》等文件。提出了氫工業(yè)〔氫的制取、儲運及加氫站〕、先進燃料電池、燃料電池分布式發(fā)電等3個戰(zhàn)略進展方向，以及大規(guī)模制氫技術(shù)、分布式制氫技術(shù)、氫氣儲運技術(shù)、氫/空氣聚合物電解質(zhì)膜燃料電池〔PEMFC〕/質(zhì)膜燃料電池〔MFC〕技術(shù)和燃料電池分布式發(fā)電技術(shù)等6項創(chuàng)行動。其中在大規(guī)模制氫技術(shù)方面，爭論基于可再生能源低本錢制氫技術(shù)，重點突破太陽能光解制氫和熱分解制氫等關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)示范系統(tǒng)；在分布式制氫技術(shù)方面，研究可再生能源發(fā)電與質(zhì)子交換膜/固體氧化物電池電解水制氫一體化技術(shù)，把握適應(yīng)可再生能源快速變載的高效中壓電解制氫電解池技術(shù)，建設(shè)可再生能源電解水制氫示范并推廣應(yīng)用。目前我國的很多著名的科研院所對制氫的爭論工作也在有聲有色的進展?！?73”打算“氫能的規(guī)模制備、儲運及相關(guān)燃料電池的根底爭論”工程首席科學(xué)家清華大學(xué)毛宗強教授，主要從事化石燃料制氫等方面的爭論工作。西安交通大學(xué)郭烈錦教授主要從事生物及有機廢料的超臨界水熱化學(xué)制氫的爭論。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理爭論所、中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理爭論所主要進展的是光催化分解水制氫等方面的爭論工作。我國氫的制取產(chǎn)業(yè)主要有以下三種比較成熟的技術(shù)路線：一是以煤炭、自然氣為代表的化石能源重整制氫；二是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫；三是電解水制氫，年制取氫氣規(guī)模占比約3%。生物質(zhì)直接制氫和太陽能光催化分解水制氫等技術(shù)路線仍處于試驗和開發(fā)階段，產(chǎn)收率有待進一步提升，尚未到達工業(yè)規(guī)模制氫要求?；茉粗茪渲饕怯勺匀粴狻睠H4〕、原油〔烴〕或煤等原料，與水蒸汽在高溫下經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化法、局部氧化法、煤氣化法等工藝生成。在轉(zhuǎn)化過程中，化石能源中的碳首先變?yōu)镃O〔或CO2〕，再通過水汽變換反響CO+H2O＝H2+CO2獲得氫氣，而CO進一步轉(zhuǎn)化為CO2。所以，由化石能源制氫就會排放CO2，其CO2排放量：煤>油>自然氣，這是由原料的碳氫比所打算的。當(dāng)前在中國氫氣制取本錢是較高的〔相對于其它國家來說〕，主要是由于我國一次能源是以煤為主，煤比石油、自然氣含氫量少，制氫過程就需要用更多的蒸汽，消耗較多的能量。依據(jù)中國氫能聯(lián)盟2023年6月26日公布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》推測展望，我國在現(xiàn)階段主要為化石能源重整制取氫，平均本錢不高于10元/公斤；在2025年前將樂觀利用工業(yè)副產(chǎn)氫，大力進展可再生能源電解水制氫示范，平均本錢不高于20元/公斤；中期在2026-2035年，將以可再生能源發(fā)電制氫、煤制氫等大規(guī)模集中穩(wěn)定供氫為主，工業(yè)副產(chǎn)氫為補充手段，平均本錢不高于15元/公斤；遠期在2036-2050年，將以可再生能源發(fā)電制氫為主，煤制氫協(xié)作CCS技術(shù)、生物制氫和太陽能光催化分解水制氫等技術(shù)為有效補充，平均本錢不高于10元/公斤。全國各地將結(jié)合自身資源稟賦，兼顧技術(shù)進展、經(jīng)濟性以及環(huán)境容量不同類型制氫本錢比較表制氫類型制氫類型制氫方式能源價格制氫本錢〔元/kg〕低谷電0.3元/KW.h20電解制氫大工業(yè)用電0.6元/KW.h38可再生能源棄電0.1元/KW.h104自然氣自然氣化石能源制氫3/m313煤炭550/t10工業(yè)副產(chǎn)氫：焦?fàn)t氣、氯堿綜上，我國與興旺國家相比，在氫能技術(shù)研發(fā)、裝備制造、根底設(shè)施等方面仍有肯定差距。但產(chǎn)業(yè)化態(tài)勢全球領(lǐng)先。、電解水制氫技術(shù)爭論目前，電解水制氫技術(shù)主要有堿性水電解槽〔AE〕〔PEM〕和固體氧化物水電解槽〔SOE〕。其中，堿性電解槽技術(shù)最為成熟，生產(chǎn)本錢較低，國內(nèi)單1000m3/h；質(zhì)子交換膜電解槽流程簡潔，能效較高，國內(nèi)單臺最大產(chǎn)氣量為50m3/h，但因使用貴金屬電催化劑等材料，本錢偏高；固體氧化物水電解槽承受水蒸氣電解，高溫環(huán)境下工作，能效最高，尚處于試驗室研發(fā)階段。電解水制氫具有綠色環(huán)保、生產(chǎn)敏捷、純度高〔通常在99.7%以上〕以及副產(chǎn)高價值氧氣等特點。但其單位能耗約在4-5千瓦時/立方氫，制取本錢受電價影響很大，電價占到總成本的70%以上。假設(shè)承受市電生產(chǎn)，制氫本錢約為30-40元/公斤，且考慮火電占比較大，照舊面臨碳排放問題。一般認(rèn)為當(dāng)電價低于0.3元/千瓦時，電解水制氫本錢會接近傳統(tǒng)化石能源制氫。依據(jù)當(dāng)前中國電力的平均碳強度計算，電解水制得1公斤氫氣的35.843-4倍。將來，可再生能源發(fā)電制氫的潛力很大，一方面作為全周期零碳排放技術(shù)，隨著可再生能源發(fā)電平價上網(wǎng)，電解水制氫本錢將持續(xù)下降，尤其是近年來局部區(qū)域棄風(fēng)、棄光制氫的經(jīng)濟性較為突出，可供給制氫量約263萬噸/年；另一方面，當(dāng)波動性可再生能源在電源構(gòu)造中占到較高比重時，56單純依靠短周期〔小時級〕儲能將無法滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行需要。日間、月度乃至季節(jié)性儲能將是實現(xiàn)高滲透率可再生能源調(diào)峰的主要手段。國家進展和改革委與國家能源局先后發(fā)文，支持高效利用廉價且豐富的可再生能源制氫。四川、廣東等地紛紛給與電價支持政策，電解水制氫最高電價限定0.3元/千瓦時和0.26元/千瓦時。經(jīng)了解，我國電解水制氫走在前列的主要企業(yè)有中國船舶重工集團公司第七一八爭論所、天津市大陸制氫設(shè)備及蘇州竟力制氫設(shè)備。國內(nèi)可再生能源發(fā)電制氫的案例如下：〔一〕蘭州區(qū)液態(tài)太陽能燃料合成示范工程蘭州區(qū)液態(tài)太陽能燃料合成示范工程是國內(nèi)首個光伏制氫并與二氧化碳結(jié)合制甲醇的示范工程，位于蘭州區(qū)精細化工園區(qū)內(nèi)。工程主要由光伏發(fā)電、電解水制氫、二氧化碳加氫合成甲醇三個單元組成。工程規(guī)模為10MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)、2套規(guī)模各1000Nm3/h電解水制氫裝置〔1套為一般電解槽制氫裝置+1套電解水催化制氫裝置,試驗室測算，電解水催化制氫裝置比一般電解槽制氫裝置制氫效率提高約 20%〕及二氧化碳加氫合成甲醇裝置〔年產(chǎn)甲醇1440噸〕。工程總投資：14100萬元，其中2套電解水制氫及二氧化碳合成甲醇單元投資約7600萬元；光伏單元投資約6500萬元。工程光伏占地256畝；電解水制氫及二氧化碳合成33華陸工程科技有限責(zé)任公司；施工單位區(qū)石化集團下屬化學(xué)工程公化制氫和二氧化碳加氫合成甲醇專利技術(shù)。工程于2023年3月份動工，9月初10MWp光伏單元全部安裝調(diào)試完成；目前，電解水制氫單元安裝前土建工程完成，設(shè)備到場40%；二氧化碳加氫合成甲醇單元安裝前土建工程完成，主要設(shè)備就位40%；估量在2023年11份全部12月份調(diào)試投運轉(zhuǎn)入試運行。〔二〕河北張家口沽源縣風(fēng)電制氫綜合利用示范工程沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范工程由河北省建投能源有限公司與德國邁克菲及歐洲安能公司聯(lián)手打造，2023年12月31日獲得省發(fā)改委核準(zhǔn)〔冀發(fā)改能源核字【2023】163號〕。工程受到國務(wù)院李克強總理的高度重視，2023年5月18日，正式簽約落地沽源縣西辛營鄉(xiāng)。工程包含200MWp風(fēng)電場和10MWp電解水制氫系統(tǒng)及氫氣綜合利用系統(tǒng)兩個局部。工程總投資20.3億元，其中風(fēng)電場投資約15.1億元，電解水制氫系統(tǒng)投資5.2億元。2023年10月3日風(fēng)電場轉(zhuǎn)商業(yè)運營。電解水制氫系統(tǒng)投資5.2億元，分為兩期建設(shè)：一期投資2.5億元，建設(shè)制氫站及年制氫量280萬標(biāo)方的電解水制氫系統(tǒng)〔含配套氫氣儲存運輸設(shè)備的電解水制氫系統(tǒng)〔含配套氫氣儲存運輸設(shè)備〕,制氫站工程位于張家口源縣西辛營東約2公里，場區(qū)距離沽源縣城35公里；二期投資2.7億元，建設(shè)年制氫量420萬標(biāo)方的電解水制氫系統(tǒng)〔含配套氫氣儲存運輸設(shè)備〕。電解水制氫系統(tǒng)及氫氣綜合利用系統(tǒng)引進德國先進儲氫及氫氣利用技術(shù)。工程規(guī)劃建設(shè)10MWp電解水制氫系統(tǒng)，主要由補水系統(tǒng)、堿液循環(huán)系統(tǒng)、整流變、電解槽、氣液分別裝置、氫氣純扮裝置、氫氣儲存系統(tǒng)等局部組成。規(guī)劃用地面28.3510MWp4MWp202355日開工建設(shè)，打算于2023年6月建成投運，目前處于待調(diào)試階段。三、下一步進展建議光伏制氫雖然可以解決棄光、棄電問題，但如何用氫，如何形成氫產(chǎn)業(yè)鏈至關(guān)重要，進展方向重點是氫燃料電池及其下游產(chǎn)業(yè)，利用氫氣與二氧化碳合成甲醇技術(shù)尚處于研發(fā)中試階段，因此建議如下：1、重點跟進兩個示范工程在今年內(nèi)轉(zhuǎn)產(chǎn)投運后工藝技術(shù)路線牢靠性、能